1.3 Классификация механизмов

Механизмы, входящие в состав любой машины или прибора, весьма разнообразны. По функциональному назначению они делятся на следующие виды: механизмы двигателей и преобразо­вателей; передаточные механизмы; исполнительные механизмы; ме­ханизмы настройки, подачи, транспортирования; механизмы управ­ления, контроля и регулирования.

Механизмы решают задачи преобразования одних видов движений в другие, например вращательного в поступательное, и задачи изме­нения скорости при сохранении вида движения, например уменьше­ние числа оборотов двигателя до числа оборотов основного ведомого (рабочего) звена. В последнем случае одним из основных параметров механизма является передаточное отношение i, которое определяется как отношение угловых скоростей ведущего и ведомого звеньев механизма. Если механизм служит для понижения угловой скоро­сти, его называют редуктором, если для повышения, — мультипли­катором.

Механизмы, служащие для передачи вращательного движения с преобразованием скорости (фрикционные, зубчатые), называют передачами.

В зависимости от конструктивных особенностей и способа передачи движения между подвижными звенья­ми механизмы делят на шарнирно-рычажные, фрикционные, зубча­тые, кулачковые, винтовые, с гибкими звеньями. Рассмотрим под­робнее механизмы названных видов, учитывая их кинематические свойства и конструктивные особенности.

В шарнирно-рычажных механизмах жесткие звенья типа стержней, рычагов соединяются вращательными и поступательными кинемати­ческими парами. Шарнирно-рычажные механизмы применяются для преобразования вращательного или поступательного движения в лю­бое движение с требуемыми параметрами. Наибольшее распростра­нение получили плоские четырехзвенные механизмы с тремя по­движными и одним неподвижным звеньями. «Родоначальником» этой группы является шарнирный четырехзвенник (рис. 1.6), служа­щий для преобразования равномерного вращения ведущего звена 1 в неравномерное вращение звена 3. Звенья 1 и 3 называются кривоши­пами, если они поворачиваются на угол более 2π, и коромыслами, если совершают качательное движение. Звено 2, совершающее плоское движение, называют шатуном. В зависимости от соотношения длин звеньев механизма рабочее звено 3 может быть кривошипом или ко­ромыслом.

Рис. 1.6

Фрикционные механизмы используются в приводах систем, устрой­ствах транспортирования различных носителей информации. Передача движения в них осуществляется за счет сил трения между звеньями.

Фрикционные механизмы разнообразны по конструкции. Разли­чают фрикционные передачи с постоянным (рис. 1.7, а, б) и перемен­ным передаточным отношением (вариаторы) (рис. 1.7, в), твердыми (жесткими) звеньями и гибкой связью (рис. 1.7, г).

Рис. 1.7

По относительному расположению осей звеньев различают пере­дачи с параллельными (рис. 1.7, а) и пересекающимися (рис. 1.7, б) осями. Фрикционные передачи служат для преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательное с другой скоро­стью (рис. 1.7, а - в), прямолинейное (рис. 1.7, д) или винтовое движение ведомого звена (рис. 1.7, е).

Кроме бесступенчатого изменения скорости ведомого звена к достоинствам фрикционных механизмов относятся простота конст­рукции, автоматическое предохранение от поломок при перегрузках, плавность передачи движения. К недостаткам рассматриваемых ме­ханизмов следует отнести непостоянство передаточного отношения из-за проскальзывания, наличие усилия, сжимающего катки, и уси­ленный в связи с этим износ звеньев.

Зубчатые механизмы получили наибольшее распространение благодаря ряду достоинств — компактности, высокому КПД, надеж­ности работы, простоте ухода, возможности применения в широком диапазоне скоростей и передаточных отношений, сохранению с боль­шой точностью заданного передаточного отношения. Передача дви­жения в них осуществляется зацеплением зубьев подвижных звень­ев — зубчатых колес. Недостатки зубчатых механизмов — сложность и высокая точность изготовления и сборки звеньев, шум при больших окружных скоростях колес.

Зубчатые передачи служат для изменения скорости вращательного движения (рис. 1.8, а—д), преобразования возвратно-вращательного движения в возвратно-поступательное, и наоборот (рис. 1.8, е).

Простейший одноступенчатый зубчатый механизм состоит из стойки и двух подвижных звеньев — зубчатых колес. Колеса образуют со стойкой вращательные пары 5-го класса, а друг с другом — высшую кинематическую пару 4-го класса, называемую зубчатым зацеплением.

По характеру относительного расположения осей вращения зубчатых колес различают передачи с параллельны­ми (рис. 1.8, а), пересекающимися (рис. 1.8, б) и перекрещивающи­мися в пространстве осями (рис. 1.8, в).

По виду зацепления или характеру расположения зубьев на теле зубчатых колес различают передачи с внешним (рис. 1.8, а) и внутренним (рис. 1.8, д) зацеплением. При внешнем зацеплении колеса с параллельными осями вращаются в разные сто­роны, при внутреннем — в одну.

Зубчатые передачи могут быть с постоянным и переменным пе­редаточным отношением. Применяют их для понижения и повыше­ния угловой скорости. В зависимости от назначения передачи и спе­цифических требований (износостойкость, бесшумность) зубья колес могут быть прямыми, косыми, шевронными и криволинейными. Зубчатые механизмы можно классифицировать еще по числу под­вижных звеньев, профилю боковых поверхностей зубьев и другим признакам. По профилю зуба различают эвольвентные, циклоидные, часовые, цевочные передачи, передачи Новикова и др. Наиболее ши­рокое применение получили эвольвентные передачи благодаря про­стоте технологии изготовления, большой кинематической точности, малой чувствительности к изменению межосевого расстояния.

В особую группу зубчатых передач можно выделить эпицикличе­ские передачи, основным признаком которых является наличие колес с подвижными геометрическими осями (рис. 1.8, г). Колеса 1, 3, имеющие неподвижные геометрические оси, называют центральны­ми, колесо 2 с подвижной геометрической осью — сателлитом; звено Н, вращающее оси сателлитов, — водилом. Эпициклические переда­чи, имеющие одну степень подвижности, называются планетарными, а две — дифференциальными. Рассматриваемые передачи позволяют «снимать» с одного вала движения с различными скоростями, что ши­роко используется в шкальных механизмах. Эпициклические переда­чи при малых габаритах позволяют получать большие передаточные отношения.

Кулачковые механизмы широко применяются в устройствах управления, прерывистого движения. Простейший кулачковый меха­низм (рис. 1.9, а) состоит из кулачка 1, толкателя 2, стойки и образует в точке А высшую кинематическую пару 4-го класса. Ведущее звено 1 называется кулачком или эксцентриком. Форма профиля кулачка определяется законом движения толкателя и может быть самой раз­нообразной, как и закон движения ведомого звена. Кулачковые меха­низмы позволяют получать любой закон движения ведомого звена, отличаются простотой, компактностью, малыми габаритами.

Рис. 1.8

К недостаткам кулачковых механизмов следует отнести боль­шие удельные давления в высшей паре и, следовательно, недолговеч­ность механизма, а

также необходимость в силовом замыкании звень­ев. Возможно геометрическое замыкание с помощью пазов в кулачке, который направляет движение ведомого звена.

Величина перемещений и закон движения рабочего звена меха­низма определяются профилем кулачка.

По виду преобразуемых движений кулачковые меха­низмы можно разделить на следующие группы: механизмы, в которых вращательное движение кулачка 1 преобразуется в возвратно-поступа­тельное или качательное движение толкателя 2 (рис. 1.9, а и б соответ­ственно); механизмы, в которых возвратно-поступательное движение кулачка 1 преобразуется в возвратно-поступательное или качательное движение толкателя 2 (рис. 1.9, виг соответственно); пространст­венные, или коноидные, кулачковые механизмы, решающие функ­ции двух переменных, например (рис. 1.9, д). Эти меха­низмы имеют две степени свободы. Применяются они в передающих устройствах.

Толкатели кулачковых механизмов в зависимости от вида кинема­тического элемента толкателя подразделяются на точечные (рис. 1.9, д), плоские и тарельчатые (рис. 1.9, а), с профилем, очерченным по радиу­су или сфере, роликовые и шариковые (рис. 1.9, в и г соответственно).

Винтовые механизмы состоят из винта и гайки и предназначены для преобразования вращательного движения в прямолинейное, и наобо­рот. Они обеспечивают высокую точность поступательных перемеще­ний, большой выигрыш в силе. Недостатки — большие потери на трение в паре винт — гайка, низкий КПД. Применяются винтовые механизмы в измерительных приборах, механизмах точных перемещений, регули­рования и настройки, в подъемно-транспортных устройствах.

Рис. 1.9

При вращении винта 1 (рис. 1.10) гайка 2 поступательно переме­щается в направляющих стойки 3. Возможно использование схемы, в которой ведущим звеном является зафиксированная в осевом на­правлении вращающаяся гайка, а ведомым — винт, движущийся по­ступательно в направляющих стойки.

Имеются конструкции кинематической пары винт — гайка с тре­нием скольжения и трением качения.

Рис. 1.10

Механизмы с гибкими звеньями применяют для передачи враща­тельного движения между валами при больших межосевых расстоя­ниях и для преобразования вращательного движения в поступатель­ное, и наоборот. Ведущее и ведомое жесткие звенья таких механизмов непосредственно не контактируют друг с другом, а передача движе­ния осуществляется посредством гибкого звена, которое может быть как замкнутым, так и разомкнутым.

По характеру соединения гибкого звена с ведущим и ведомым звеньями рассматриваемые механизмы подразделяют на передачи трением, передачи зацепления и передачи с жестким креплением гибкого звена к другим звеньям.

В передачах трением в качестве гибкого звена используют пло­ские и клиновидные ремни, пассики, круглые шнуры и ремни, нити (рис. 1.11, а). Передача состоит из ведущего 1 и ведомого 2 шкивов, а также замкнутого звена 3, надетого на шкивы с натяжением. Таким передачам присущи все достоинства и недостатки фрикционных ме­ханизмов непосредственного касания. Необходимым условием нор­мальной работы передачи трением является натяжение гибкого зве­на, что достигается обычно с помощью натяжного ролика 4.

В передачах зацепления гибким звеном служит зубчатый ремень, перфорированная лента, цепь (рис. 1.11, б). Преимущества этих пере­дач перед передачами трением соответствуют преимуществам зубча­тых передач по отношению к фрикционным.

Рис. 1.11